Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

27.10.2023

Размер:

19.18 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 243 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>


Н а и б о л е е существенными			и в а ж н ы м и		п а р а м е т р а м и ,
о п р е д е л я ю щ и м и прочностные			свойства	раствора,		я в л я ю т
ся: сцепление цементного к а м н я с з е р н а м и					песка, ф о р м а
зерен, их чистота, расстояние			м е ж д у	зернами,		наличие
воздушных включений		( з а в и с я щ е е от		степени		уплотне
н и я ) ,	минералогический и		петрографический			составы
к а ж д о й	ф р а к ц и и песка	[29, 53] .

Сцепление м е ж д у цементным камнем и заполнителем следует выделить, ка к наиболее слабое звено в двухком -


понентиой		системе. П о д а н н ы м		[168],		величина сцепле
ния м е ж д у		заполнителем и цементным					камнем		м о ж е т
составлять		(0,5—0,65)	Rpac. к прочности на					р а с т я ж е н и е
цементного		камня или раствора и зависит					от вида		и те
кстуры	поверхности		заполнителя		и	В/Ц .		Прочность
раствора		(например,	состава	1 : 3)		может		п р е в ы ш а т ь
таковую	цементного		к а м н я примерно на					15%,	если
Rcn/Rvml.		Это м о ж н о	объяснить		качественной картиной
р а з р у ш е н и я раствора:			наличие	зерен		песка		(механиче


ские характеристики			кварцевого				песка		приблизительно
равны: Ясж. п = 3 5 0 0 кгс/см2,					Rpac.		п = 3 6 0	кгс/см2		и Еп =
= 700 000	кгс/см2) з а с т а в л я е т					трещину		частично огибать
их поверхность и, таким образом, увеличивается										п л о щ а д ь
возможного		контакта	р а з р ы в а .
З а м е ч е н о		т а к ж е	[38], что			в	случае		значительного
объемного	с о д е р ж а н и я			песка		в растворной части бетона
(1 / п >0,4 )	при толщине			п р о м е ж у т к о в				м е ж д у		з е р н а м и
меньше 30 мк возрастает неоднородность									поля	н а п р я ж е
ний (как за счет внешних					усилий,		та к и		усадочного ха
р а к т е р а ) ;	при этом не всегда					обеспечивается сплошность
контакта цементного			к а м н я с			песком.
В о з м о ж н ы й э ф ф е к т				повышения прочности						р а с т в о р а

может быть при определенных условиях погашен ф а к т о

рами	чисто технологического	порядка: способом	ф о р м о
вания	бетона, водоцементным	отношением и т. д.
В о з в р а щ а я с ь к величине		прочности сцепления песка

с цементным камнем, следует привести данные, зафикси


рованные	в работе [139].			Установлено, что в				р а с т в о р е
прочность	сцепления		составляет 33—65%				от	прочности
самого раствора		(220—450		кгс/см2),	причем дл я				зерен
из песчаника — 37%, дл я				гранитного			песка — 44%.
Таким образом, при средней прочности						цементного к а м н я
#,; = 500—900 кгс/см2			при В / Ц = 0 , 3 — 0 , 5			величина			сцеп
ления составляет		/ ? С ц = 2 — 2 5 кгс/см2			и прочность				цемент-

ного камня, следовательно, реализуется л и ш ь			на	~ 5 0 % .
Очевидно, что существуют большие резервы			повышения
прочности к а к растворной		части бетона, т а к и его		самого
за счет увеличения плотности и монолитности			материала .
Н а	прочность бетона	о к а з ы в а ю т влияние	форма и
рельеф	поверхности заполнителей, их объемное с о д е р ж а
ние и чистота поверхности. Исследования влияния				ф о р м ы

и рельефа поверхности выполнены рядом авторов по раз личным методикам . Отмечается сложность такого р о д а экспериментов из-за изменчивости геометрии щебня.* Поэтому д л я установления закономерности прибегают к


схематизации, т. е. замене фактической ф о р м ы						включе
ния условной. П р и этом учитывается				п л о щ а д ь		поверхно
сти заполнителя		и его рельеф . Эти		характеристики			ока
зывают	влияние	на величину	сцепления		и х а р а к т е р		обра
зования	трещин	в системах «цементный			камень — зерно
песка» и «заполнитель — раствор» .
Методика, п р е д л о ж е н н а я			М. Г. Э л б а к и д з е и И. Н . Ах-
вердовым [14],		з а к л ю ч а е т с я	в сопоставлении			объемов

заполнителя условной ф о р м ы с действительным его объ емом при корректировке п л о щ а д и поверхности последне

го коэффициентами ф о р м ы и			рельефа	поверхности.	П о
д а н н ы м экспериментов,		все	коэффициенты больше		еди
ницы.
И з	других методик	з а с л у ж и в а е т		внимания способ

оценки ф о р м ы щебня (гравия) измерением гидравличе ской проницаемости пробы [ 3 8 ] . В реальных бетонах величина сцепления возрастает по мере перехода от ша ровой и кубической форм к наиболее неправильной при развитом рельефе поверхности.

О влиянии прочности заполнителя на конечную про чность бетона следует заметить: опытами установлено' [38], что при прочности на с ж а т и е пород щебня 1400— 1500 кгс/см2 и выше различие в прочности породы имеет меньшее значение, чем ф о р м а заполнителя и рельеф его


поверхности. П о к а з а н о т а к ж е , что			при изучении структу
ры р а з р у ш е н н ы х бетонных образцов процент						разорван
ных кусков щебня м а л о зависит от				породы		щебня	и со
ставляет	около 40% при В / Ц = 0 , 3		и	15%	при В / Ц = 0,65.
С в я з ь	м е ж д у минералогическим			составом		заполните
л я и прочностью раствора		впервые была				установлена
Торвальсоном [169]. Этот		вопрос		получил		д а л ь н е й ш е е
развитие	в исследованиях	С. С.	Гордона		и Р . С.		Ч е х о -


вой. Н а	основании		полученных			результатов		авторы при
ходят к следующим				в ы в о д а м : заполнитель				из	полевых
шпатов,	карбонатных				минералов,		к в а р ц а	и	частично
кремния	о к а з а л с я			весьма хрупким из-за					крупности
к р и с т а л л о в и		низкой		степени		спаянности		(разрушение
по плоскостям		спаянности) . Это качество						п р е о б л а д а л о
в процессе р а з р у ш е н и я					над другими		свойствами		отдель
ных кристаллов:			прочностью,			адгезией, механическим

сцеплением с цементным камнем; щебень из магнезита показал повышенную прочность бетона за счет срастания


магнезита		с цементным камнем;		магнезит т а к ж е показы
вает повышенную прочность за счет высокой					прочности
на р а с к а л ы в а н и е по плоскостям				спаянности.
В тех		ж е	случаях, когда спаянность низкая		(напри
мер, кальцит			и альбит - микроклин, кварцевый		песчаник
и д р . ) ,	р а з р у ш е н и е заполнителя			зависит г л а в н ы м обра
зом от	этой характеристики . Замечено, что чем				больше

различных минералов в составе породы щебня, тем отри цательнее сказывается воздействие пропаривания . Вме


сте с тем, при нормальных	условиях твердения заполни
тель из полиминеральных	пород п о к а з ы в а е т		большую
прочность, из мономинеральных — меньшую			(последние
р а с к а л ы в а ю т с я по плоскостям		спаянности) *.
В табл . 1 показано влияние		минералогического соста

ва песка на прочность раствора, которое возрастает по мере уменьшения средней крупности, т. е. в связи с быст

рым ростом	величины	поверхности,	а	следовательно, и
сцепления с	цементным	камнем . З а м е ч е н о т а к ж е , что
прочность	раствора на	некоторых		песках (полевой

шпат) снижается при пропаривании и автоклавной обра


ботке. Это		связано,	вероятно,		с уменьшением				сцепления
з а п о л н и т е л я с цементным				камнем .
Влияние		зернового состава			щебня		на	прочность		бе
тона	оценивается следующим				образом		[4,	5 ] : непрерыв
ность	зернового состава			щебня (гравия)				не	о к а з ы в а е т
существенного влияния на прочность.							Так, колебания в
с о д е р ж а н и и		той или	иной	фракции		(в пределах			15—20%
веса	этой	фракции)	с к а з ы в а ю т с я			незначительно .				П р и

значительном увеличении промежуточной ф р а к ц и и имеет

место т а к	н а з ы в а е м ы й распорный эффект .		Происходит
р а з д в и ж к а	смежной	крупной ф р а к ц и и и, таким образом,
с н и ж а е т с я	плотность	упаковки заполнителей	всех ф р а к -

* Аналогичные данные были получены раньше С. В. Шестоперовым.

										Т а б л и ц а I
Средняя	прочность		растворов / ? 2 8 на песках						из	шести
			групп минералов
				Прочность при сжатии					Средний предел
				образцов 2X2X2 см,					прочности при
					кгс/см2					сжатии, %
Группа минералов
песков							m к-
							Ч о				Ч о
	СХ	о		mга£			о И		«га(		о га
	tu	О)		О Ч	S-		е- о.		«га(
	СП с			да п	се		га \о		га я (
							га о		га я (
Силикатные				309		293	309		100		93
Карбонатные	Мелкие			306		313	232		101		72
Полевые шпаты	Мелкие			258		276	164		87		53
Полевые шпаты				258		276	164		87		53
Рудные				266		319	282		92		83
Силикатные	Крупные			608		551	498		100		72
Полевые шпаты	Крупные			505		457	365				61
Полевые шпаты				505		457	365				61
П р и м е ч а н и е . За		100 % принята				прочность			раствора		на сили
катных песках при воздушно-влажном твердении.
ций. Эта особенность д о л ж н а					быть учтена			при исследова
нии тощих бетонов, дл я ж и р н ы х						смесей		она		не	имеет
значения.
П р и крупности заполнителя 10—20 мм (для											бетонов
прочностью 1704-500 кгс/см2)					влияние р а з м е р о в заполни
теля практически не сказывается . При введении											крупной
ф р а к ц и и (lO-f-230 мм)				прочность бетона несколько пада
ет. Очевидно,	по мере			повышения			крупности			прочного

щебня уменьшается однородность бетона при неизменной величине образцов . Способствует этому и снижение сцеп ления заполнителя с цементным камнем .

В а ж н е й ш и м фактором, обусловливающим д е ф о р м а - тивность и прочность бетона, является неоднородность внутреннего поля напряжений . Действительно, структура бетона включает в себя материалы, различные по своим

механическим	х а р а к т е р и с т и к а м . Сочетание столь неодно
родных элементов приводит к возникновению			внутренне
го поля н а п р я ж е н и й , распределение которых		не подчиня
ется з а к о н а м	механики сплошных сред.
Очевидно,	что исследование н а п р я ж е н и й	в	такой си

стеме и выяснение общих закономерностей их распреде

ления м о ж е т о к а з а т ь с я наиболее	в а ж н ы м	звеном в	обос
новании предпосылок физической	теории	прочности	бето-


на. С этой точки			зрения	уместна аналогия		м е ж д у той
ролью, которую			играет	фактор н а п р я ж е н и й и			д е ф о р м а
ций	в механике		сплошных		сред, и значением	распределе
ния	л о к а л ь н ы х н а п р я ж е н и й				в гетерогенном м а т е р и а л е .
	Изучению местных концентраций н а п р я ж е н и й в бето
не посвящен		р я д работ. П р е д с т а в л я ю т интерес					не только
р е з у л ь т а т ы		этих	работ,	но	и используемые	методические
приемы исследований. К а к					правило, авторами		вводится

определенный круг допущений и предпосылок: рассматри


в а е т с я	неоднородная двухкомпонентная система — мо
дель, с о с т о я щ а я из		раствора		(цементного камня)		и щебня
( п е с к а ) ;	м а к р о п о л е	изучается в			предположении	упругой
р а б о т ы составляющих			бетона	при н а п р я ж е н и я х ,		меньших
предела	т р е щ и н о о б р а з о в а н и я ;				р а с с м а т р и в а е т с я	напря
ж е н н о е	состояние д л я		двух	предельных случаев		взаимо
связи заполнителя		с	матрицей		(цементным камнем) —

полное сцепление м е ж д у компонентами — и его отсутст вие. Воспроизведение в модели реальной картины сцепления весьма сложно, поэтому, как правило, ограни чиваются изучением этих вариантов . Очевидно, что и они

представляют собой			определенную	степень абстрагиро
вания . Тем не менее			исследование	граничных состояний
структуры	позволяет		определить область		изменения	ис
комых х а р а к т е р и с т и к			системы.
В работе [38] рассмотрен конкретный пример взаимо
действия	матрицы	и	заполнителя	(последний принят
кубической ф о р м ы )		д л я двух предельных			случаев.	Ис

следования показали, что прочность бетона при отсутст


вии сцепления м о ж е т быть в 5		р а з	меньше, чем			при
полном сцеплении. Н е с м о т р я на		то что		ни	один из	этих
случаев в полной	мере не реализуется		в	действительно
сти, результаты	опыта свидетельствуют			о	значительном

влиянии сцепления на механические характеристики бетона .

П о к а з а т е л ь н ы	в этом отношении	данные,	приведенные
А. Е. Д е с о в ы м в	работе [42] . И м	р а с с м а т р и в а е т с я в
первом приближении структура цементного			камня, р а с

твора и бетона как сплошная среда, в которую вкрап

лены ш а р о о б р а з н ы е тела		с различной плотностью — от
плотности гранита	до плотности воздуха		(пустоты в бе
т о н е ) . Р е ш а л а с ь	з а д а ч а	о концентрации	н а п р я ж е н и й в
пластине, ослабленной пустотами (имитация пустот				в
бетоне) и н а п р я ж е н и я в		неоднородностях	(имитация	за-


п о л н и т е л я ) .		М е т о д а м и			теории			упругости	рассмотрена
д в у х м е р н а я		з а д а ч а		о	н а п р я ж е н и я х в пластине					с отвер
стиями,	подвергнутая одноосному							с ж а т и ю . П о к а з а н о ,			что
в точках	С и Ô (рис. 3)				возникают			с ж и м а ю щ и е н а п р я ж е
ния стс = ЗіѴ,			а в	точках Л		и	В — н а п р я ж е н и я			а р	= іѴ;
у т в е р ж д а е т с я ,			что, несмотря			на то что а с > о р ,			р а з р у ш е н и е
произойдет от			р а с т я г и в а ю щ и х				напряжений,		так	как	д л я

Рис. 3. Схема растягивающих и сжимающих напряжении на границе неоднородности

бетона

предел

прочности

на

р а с т я ж е н и е

составляет

1/3-4-1/12 сопротивления

его с ж а т и ю .

Анализ концентраций н а п р я ж е н и й д л я случая, когда

большой

неоднородности

(поры)

сопутствуют

м а л ы е

неоднородности

(поры), выполнен

М. Д а в и н ы м .

Р е з у л ь

таты расчетов показали, что вблизи малых

неоднородно-

стей, р а с п о л о ж е н н ы х на границе с большими

неоднород-

ностями,

л о к а л ь н ы е

н а п р я ж е н и я

могут

превосходить

средние

с ж и м а ю щ и е

в 9 раз . В м а т е р и а л е с

низким

пре

делом прочности на р а с т я ж е н и е может

произойти

р а з

рушение

одновременно

как

от

р а з р ы в а

по

н а п р а в л е н и ю

п р и л о ж е н и я

силы, т а к

от

р а з д р о б л е н и я

перемычки

м е ж д у

пустотами

перпендикулярном

направлении .

У т в е р ж д а е т с я , что структура с порами разного

д и а м е т р а

менее

устойчива,

чем

структура

с одинаковыми

пора

ми. Отсюда

очевидна

п о л о ж и т е л ь н а я

роль

вибрации,

в результате которой происходит более равномерное пе рераспределение воды и как следствие уменьшение диа

метра

пор.

Причем, чем

выше

частота

колебаний, тем

меньшего д и а м е т р а поры остаются

в бетоне. Возникаю

щие л о к а л ь н ы е н а п р я ж е н и я

р а с п р о с т р а н я ю т с я

на

весьма

м а л ы е

зоны

вблизи мелких

неоднородностей,

что

в ко

нечном

итоге

положительно

сказывается

на

прочности

бетона.

А н а л и з напряженного состояния

включений

одно

родной

матрице ( ш а р о о б р а з н ы е

частицы

или

цилиндри

ческие тела) д л я двухмерной задачи выполнен

т а к ж е на

основании

предпосылок

теории

упругости. Б ы л а

принята

у с л о в н а я схема н а г р у ж е н и я

диска в е р т и к а л ь н ы м и

сосре

доточенными

силами,

приложенными

по

диаметру .

Н е с м о т р я

на

условность

принятой

схемы нагружения,

исследование внутренних н а п р я ж е н и й в заполнителях


позволяет		в частных случаях		объяснить явление его рас
к а л ы в а н и я		в жестких	бетонах,		когда	усилия	одного
зерна передаются другому через контакты м е ж д у							ними
или тонкие		прослойки	цементного		камня .	Автор	прихо
дит к выводу, что разрушение при сжатии							может
произойти:
а)	от р а с к а л ы в а н и я		заполнителя при достаточно вы
сокой	прочности цементного			к а м н я ;
б)	от р а с к а л ы в а н и я		или	р а з р ы в а цементного			к а м н я

или раствора, находящегося м е ж д у крупными заполни телями;

в) от

нарушения

сцепления м е ж д у раствором или

цементным камнем и заполнителем .

У к а з а н н ы е

схемы р а з р у ш е н и я

могут

иметь место

как

чистом

виде,

т а к

в комбинированном в

зависимости

от

упругих

х а р а к т е р и с т и к

составляющих:

модуля

упру

гости и коэффициента

поперечного

расширения .

И з у ч а я внутренние

н а п р я ж е н и я

элементах

струк

туры бетона

от воздействия

внешних

нагрузок,

нельзя

обойти

вниманием

наследственные

(остаточные)

на

п р я ж е н и я ,

природа

величина

которых

обусловлены

как свойствами составляющих, так и технологическими приемами приготовления и уплотнения бетона. Остаточ

ные	н а п р я ж е н и я	проявляются		главным образом в мат
рице	цементного	камня	или	раствора . С у м м а р н о е	поле
внутренних н а п р я ж е н и й			в элементах структуры от		внеш
них	воздействий	и остаточные		н а п р я ж е н и я определяют

в значительной мере фактическую картину							распределе
ния внутренних усилий.
Механизм	возникновения				усадочных	н а п р я ж е н и й с
качественной	стороны			м о ж е т трактоваться			следующим
о б р а з о м : заполнитель				сферической ф о р м ы			(оправдан
ная идеализация		в первом			п р и б л и ж е н и и ) ,		окруженный
слоем цементного			камня, подвергается			р а д и а л ь н ы м на
п р я ж е н и я м с ж а т и я			от	деформации усадки			цементного
к а м н я .
Д л я плоской		з а д а ч и		н а п р я ж е н н о е		состояние такой

системы может быть описано уравнениями теорий упру гости. Когда толщина пленки соизмерима с д и а м е т р о м частицы (мелкозернистый бетон), может быть использо


вано решение		Л я м э ;		а	д л я	крупного заполнителя —
решение	з а д а ч и	о	тонком		кольце,		подвергнутом д е ф о р
м а ц и я м усадки по			сечению кольца				[135]. Усадочные на
п р я ж е н и я	о к а з ы в а ю т			влияние		на	процессы	р а з р у ш е н и я
и д е ф о р м и р о в а н и я			бетона.		В	этой связи		представляет
интерес	вопрос о том,			может		ли	собственная		у с а д к а
цементного теста			при	ограничении			д е ф о р м а ц и й		в ы з в а т ь
микротрещинообразование					в	растворной части			бетона.

Собственная усадка, по данным Ю. А. Нилендера [ 6 7 ] , не зависит от внешней среды и вызывается внутренними физико-химическими процессами твердения цемента .


Абсолютное	значение	собственной усадки		р а в н о
150^-200 мк/м	при предельной		растяжимости	бетона
~ 1 0 0 мк/м. И з	сопоставления		этих величин видно, что

собственная усадка в условиях реальной				структуры бе
тона	(стесненная	д е ф о р м а ц и я )	может привести к обра
зованию микротрещин в цементном камне.
В работах Ф. С. Томаса			[168], Ю. А.		Н и л е н д е р а
[67],	Б . Генки	[135, 162], А.	В. Белова	[17]	и других

исследованы вопросы усадки собственно бетона и арми


рованного бетона. Анализ этих исследований									позволяет
сделать		следующие качественные				выводы		и	обобщения:
а)	на	условия усадки,			а следовательно,				и	условия
т р е щ и н о о б р а з о в а н и я				о к а з ы в а ю т		влияние		технологиче
ские	приемы изготовления				бетона, в		частности			условия
твердения			образцов в	начальной		стадии		ф о р м и р о в а н и я
структуры цементного к а м н я ;
б)	микротрещинообразование					в	бетоне		зависит от
динамики			двух противоположных			по	своему			действию
процессов:			н а р а с т а н и я	прочности		цементного				камня и

Рис. 4. Распределение внутренних напряжении от

усадки

и внешней

нагрузки в модели бетона: а — теоретическое

распределение напряжений

цементном

камне

заполнителе; б — напряжения на

поверхности раздела

«запол

нитель—цементный камень»

от усадки

(по

Т.

Сю);

в —напряжение

от усадки

внешней нагрузки

в запол

нителе

цементном

камне

(по

Л.

Е. Дссову);

2Г 3 — ступени

нагрузки


д е ф о р м а ц и й усадки .				П р е о б л а д а н и е	одного из них		над
другим	в	начальной		стадии твердения и		определяет в
конечном		счете	появление усадочных		трещин;
в)	процесс		микротрещинообразования			зависит	от

вида цемента: глиноземистый цемент более трещиносто-


ек,	чем	портландцемент .			При в л а ж н о м		хранении обыч
ных	и	пропаренных образцов				трещины,	как	правило, не
о б р а з у ю т с я .			П р и	нагревании		и хранении в		нормальных
условиях усадочные трещины						образуются		соответствен
но спустя одни сутки и через						трое суток	[42, 104];
г) весьма с л о ж н а картина						напряженного			состояния
в системе			«цементный		камень — заполнитель» (рис. 4)
[ 4 2 ] . Очевидно,				что в теоретическом			анализе		с л о ж н о
учесть		влияние фактических				свойств заполнителя, спо

собности структуры к релаксации н а п р я ж е н и й и техно

логические	приемы изготовления.		Вследствие	этого
в о з н и к а е т	необходимость	в уточнении	ряда предпосылок
и гипотез,	относящихся	к д и н а м и к е	процесса	усадки .

Предпосылки

к физической

теории

прочности

бетона

Основой

физической

теории

прочности

бетона

явля

ются

исследования

закономерностей

взаимодействия

элементов структуры в

процессе

н а г р у ж е н и я

м а т е р и а л а .

Н а ч а т ы е

сравнительно

недавно

исследования

в этой

о б л а с т и

(работы

А. Я-

Берга,

И. Н. Ахвердова,

А. Е.

Д е с о в а ,

А.

С. Д м и т р и е в а ,

С.

Гордона,

Ф.

Слейт,

С. Ольшевского, М. К а п л а н а ,

К- Александер,

Т. Хансена

и др.)

свидетельствуют

сложности обоснования

физи

ческих

представлений

о закономерностях

деформирова

ния

р а з р у ш е н и я

бетона

и аналитическом

описании

этих

закономерностей .

Вместе с тем достижения при

исследовании

данной

проблемы

весьма

значительны

полученные многими

а в т о р а м и результаты позволяют выделить основные мо


менты в развитии		этой теории,		в к л ю ч а я методологиче
ские принципы решения задачи .
Структура бетона представляет собой систему, свой
ства	которой подвержены		значительному		разбросу	по
своим	основным	п о к а з а т е л я м :		прочности,	д е ф о р м а т и в -
ной	способности,	механизму		т р е щ и н о о б р а з о в а н и я		и
х а р а к т е р у р а з р у ш е н и я .			Установлено, что		на свойства

<<< < Предыдущая 1 23 / 243 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ